DE102017104382B4

DE102017104382B4 - LC-Netzwerk für einen Leistungsverstärker mit auswählbarer Impedanz

Info

Publication number: DE102017104382B4
Application number: DE102017104382.9A
Authority: DE
Inventors: Saurabh Goel; Haedong Jang; Richard Wilson
Original assignee: Wolfspeed Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: CN107231134A; US10396727B2; US10050591B2; US20180342990A1; DE102017104382A1; US20170279419A1

Abstract

Eine RF-Anordnung, umfassend:eine Schaltungsplatine, umfassend ein Impedanzanpassungsnetzwerk;ein Bauelementgehäuse, das auf der Schaltungsplatine befestigt ist, und umfassend:einen RF-Verstärker (102), der ausgebildet ist zum Verstärken eines RF-Signals zwischen einem Eingangsanschluss (104) und einem Ausgangsanschluss (106) des RF-Verstärkers (102) über einen Breitbandfrequenzbereich;ein erstes LC-Netzwerk (108), das mit dem Eingangsanschluss (104) verbunden ist und eine erste und eine zweite reaktive Komponente umfasst;ein zweites LC-Netzwerk (118), das mit dem Ausgangsanschluss (106) verbunden ist und eine dritte und eine vierte reaktive Komponente umfasst;eine erste Gehäuseleitung, die den Eingangsanschluss (104) mit der Schaltungsplatine verbindet;eine zweite Gehäuseleitung, die den Ausgangsanschluss (106) mit der Schaltungsplatine verbindet;ein erstes Schaltbauelement (110), das ausgebildet ist zum Auswählen einer Impedanz des ersten LC-Netzwerks (108) zwischen einem ersten Impedanzwert und einem zweiten Impedanzwert;wobei das erste Schaltbauelement (110) durch eine DC-Vorspannung gesteuert wird, die mit dem RF-Signal überlagert angelegt wird; undein zweites Schaltbauelement (120), das ausgebildet ist zum Auswählen einer Impedanz des zweiten LC-Netzwerks (118) zwischen einem dritten Impedanzwert und einem vierten Impedanzwert;wobei das zweite Schaltbauelement (120) durch eine DC-Vorspannung gesteuert wird, die mit dem RF-Signal überlagert angelegt wird;wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk mit der ersten Gehäuseleitung oder der zweiten Gehäuseleitung verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf RF- (Radiofrequenz-) Verstärker, insbesondere auf Impedanzanpassungsnetzwerke für RF-Verstärker.
HINTERGRUND
RF-Leistungsverstärker werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, z. B. Basisstationen für drahtlose Kommunikationssysteme etc. Zu den Signalen, die durch die RF-Leistungsverstärker verstärkt werden, gehören häufig Signale, die einen Hochfrequenzmodulierten Träger mit Frequenzen im dem Bereich von 400 Megahertz (MHz) bis 4 Gigahertz (GHz) aufweisen. Das Basisbandsignal, das den Träger moduliert, ist typischerweise bei einer relativ niedrigeren Frequenz und kann abhängig von der Anwendung bis zu 300 MHz oder höher sein.
RF-Leistungsverstärker sind entworfen zum Bereitstellen eines linearen Betriebs ohne Verzerrung. Eingangs- und Ausgangsimpedanzanpassungsschaltungen werden verwendet, um RF-Transistoren, die niedrige Eingangs- und Ausgangsimpedanzen (z. B. etwa 1 Ohm oder weniger für Hochleistungsbauelemente) aufweisen können, an die Impedanzanpassungsnetzwerke eines externen Bauelements, z. B. einer Schaltungsplatine, anzupassen.
Ein Bauelementgehäuse für einen RF-Leistungsverstärker kann einen Transistorchip (z. B. einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET = metal-oxide semiconductor field-effect transistor)), einen LDMOS (lateral diffundierter Metall-Oxid-Halbleiter (LDMOS = laterally-diffused metal-oxide semiconductor)), einen HEMT (Hochelektronenmobilitätstransistor (HEMT = high electron mobility transistor)) zusammen mit einer darin eingebrachten Eingangs- und Ausgangsimpedanzanpassungsschaltung umfassen. Die Eingangs- und die Ausgangsimpedanzanpassungsschaltung umfassen typischerweise LC-Netzwerke, die zumindest einen Abschnitt einer Impedanzanpassungsschaltung bereitstellen, der ausgebildet ist zum Anpassen der Impedanz des Transistorchips an einen Festwert.
Dokument US 2010/0 321 110 A1 offenbart einen RF-Verstärker der eine vorgeschaltete und eine nachgeschaltete Impedanzschaltung umfasst. Die beiden Impedanzschaltungen weisen zwei Kondensatoren und einen Switch auf. Der Switch dient hierbei zum Ein-/Ausschalten eines der beiden Kondensatoren. Der Switch kann hierbei über ein Bandkontrollsignal gesteuert werden. Nicht offenbart durch Dokument D1 ist hingegen, dass das Bandkontrollsignal ein DC-Signal sein kann.
Dokument US 2011 / 0 086 600 A1 offenbart ein Verfahren zur Einstellung eines Transmitters zur Verbesserung einer Impedanzanpassung einer Antenne. Eine Kontrolleinheit berechnet hierzu dynamisch veränderbare Einstellungsparameter, welche an Bauelemente einer Impedanzanpassungsschaltung angepasst sind. Mittels dieser Einstellungsparameter kann dann eine Impedanzanpassung der Antenne verbessert werden.
Im Allgemeinen gibt es einen Kompromiss zwischen der Breitbandfähigkeit und der Leistungseffizienz bei RF-Leistungsverstärkersystemen. Ein Beispiel dieses Kompromisses bezieht sich auf eine Impedanzanpassung zwischen einem RF-Bauelementgehäuse und der Schaltungsplatine, die das RF-Bauelementgehäuse empfängt und elektrisch mit demselben verbunden ist. Die Schaltungsplatine umfasst typischerweise ein Impedanzanpassungsnetzwerk (oder -netzwerke) mit einem festen Impedanzwert, der mit dem Impedanzanpassungsnetzwerk (oder -netzwerken) des gehäusten Bauelements gepaart ist, um eine optimale Leistungsübertragung zwischen den zweien zu bewirken. Im Kontext von RF-Signalen ist eine maximale Übertragungseffizienz allerdings nur bei einer Frequenz erreichbar. Wenn ein Betrieb des RF-Verstärkers bei einer anderen Frequenz erwünscht ist, ist es erforderlich, dass der Entwerfer die Impedanzanpassungsnetzwerke neu konfiguriert, was mehrere Bauelemente mit unterschiedlichen internen Anpassungstopologien erfordert, oder eine reduzierte Effizienz akzeptiert. Ein anderes Beispiel bezieht sich auf Abstimmungsschaltungen, die ausgebildet sind zum Herausfiltern von harmonischen Komponenten der Grundfrequenz. Ein hocheffizienter Betrieb wird nur erreicht, wenn die Harmonischen des RF-Signals herausgefiltert werden. Dies kann erfolgen unter Verwendung reaktiver Komponenten, die Teil der vorstehend beschriebenen Eingangs- und Ausgangsanpassungsschaltungen sind. Diese reaktiven Komponenten sind jedoch auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt und werden weniger effektiv, wenn das Bauelement außerhalb dieser Frequenz betrieben wird. Als Ergebnis sind die Harmonischen nicht komplett herausgetunt und die Leistungseffizienz des Bauelements verschlechtert sich erheblich.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für eine Verstärkerschaltung, eine RF-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Verstärkerschaltung.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Eine Verstärkerschaltung ist offenbart. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Verstärkerschaltung einen RF-Verstärker, der ausgebildet ist zum Verstärken eines RF-Signals zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss über einen Breitbandfrequenzbereich. Der RF-Verstärker umfasst ferner ein erstes LC-Netzwerk, das mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und eine erste und eine zweite reaktive Komponente umfasst. Ein erstes Schaltbauelement ist zwischen die erste und die zweite reaktive Komponente geschaltet. Das erste Schaltbauelement koppelt sowohl die erste als auch die zweite reaktive Komponente mit dem Eingangsanschluss in einem EIN-Zustand, und das erste Schaltbauelement trennt die zweite reaktive Komponente von dem Eingangsanschluss in einem AUS-Zustand. Der RF-Verstärker umfasst ferner ein zweites LC-Netzwerk, das mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist und eine dritte und eine vierte reaktive Komponente umfasst. Ein zweites Schaltbauelement ist zwischen die dritte und die vierte reaktive Komponente geschaltet. Das zweite Schaltbauelement koppelt sowohl die dritte als auch die vierte reaktive Komponente mit dem Ausgangsanschluss in einem EIN-Zustand. Das zweite Schaltbauelement trennt die vierte reaktive Komponente von dem Ausgangsanschluss in einem AUS-Zustand.
Optional sind die erste reaktive Komponente und das erste Schaltbauelement durch einen ersten induktiven Draht mit dem Eingangsanschluss direkt verbunden, und wobei die dritte reaktive Komponente und das zweite Schaltbauelement durch einen zweiten induktiven Draht mit dem Ausgangsanschluss direkt verbunden sind.
Wiederum optional sind jede von der ersten, zweiten, dritten und vierten reaktiven Komponente Kondensatoren, wobei das erste Schaltbauelement eine direkte elektrische Verbindung zwischen positiven Anschlüssen des ersten und des zweiten Kondensators in dem EIN-Zustand des ersten Schaltbauelements bildet, und wobei das zweite Schaltbauelement eine direkte elektrische Verbindung zwischen positiven Anschlüssen des dritten und des vierten Kondensators in dem EIN-Zustand des zweiten Schaltbauelements bildet.
Optional sind das erste und das zweite Schaltbauelement mechanische Schaltbauelemente.
Wiederum optional sind das erste und das zweite Schaltbauelement MEMs-Schaltbauelemente.
Optional reicht der Breitbandfrequenzbereich von einem niedrigeren ersten Frequenzwert zu einem höheren zweiten Frequenzwert, wobei die erste und die zweite LC-Schaltung jeweils eine Resonanzfrequenz gleich zweimal die erste Frequenzwert aufweisen, wenn das erste und das zweite Schaltbauelement in dem EIN-Zustand sind, und wobei die erste und die zweite LC-Schaltung jeweils eine Resonanzfrequenz gleich zweimal die zweite Frequenzwert aufweisen, wenn das erste und das zweite Schaltbauelement in dem AUS-Zustand sind.
Eine RF-Anordnung ist offenbart. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die RF-Anordnung eine Schaltungsplatine mit einem Impedanzanpassungsnetzwerk. Die RF-Anordnung umfasst ferner ein Bauelementgehäuse, das auf der Schaltungsplatine befestigt ist. Das Bauelementgehäuse umfasst einen RF-Verstärker, der ausgebildet ist zum Verstärken eines RF-Signals zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des RF-Verstärkers über einen Breitbandfrequenzbereich, ein erstes LC-Netzwerk, das mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und eine erste und eine zweite reaktive Komponente umfasst, ein zweites LC-Netzwerk, das mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist und eine dritte und eine vierte reaktive Komponente umfasst, eine erste Gehäuseleitung, die den Eingangsanschluss mit der Schaltungsplatine verbindet, und eine zweite Gehäuseleitung, die den Ausgangsanschluss mit der Schaltungsplatine verbindet. Die RF-Anordnung umfasst ferner ein erstes Schaltbauelement, das ausgebildet ist zum Auswählen einer Impedanz des ersten LC-Netzwerks zwischen einem ersten Impedanzwert und einem zweiten Impedanzwert; und ein zweites Schaltbauelement, das ausgebildet ist zum Auswählen einer Impedanz des zweiten LC-Netzwerks zwischen einem dritten Impedanzwert und einem vierten Impedanzwert. Das Impedanzanpassungsnetzwerk ist mit der ersten Gehäuseleitung oder der zweiten Gehäuseleitung verbunden.
Optional koppelt das erste Schaltbauelement sowohl die erste als auch die zweite reaktive Komponente mit dem Eingangsanschluss in einem EIN-Zustand, wobei das erste Schaltbauelement die zweite reaktive Komponente von dem Eingangsanschluss in einem AUS-Zustand trennt, wobei das zweite Schaltbauelement sowohl die dritte als auch die vierte reaktive Komponente mit dem Ausgangsanschluss in einem EIN-Zustand koppelt, und wobei das zweite Schaltbauelement die zweite reaktive Komponente von dem Eingangsanschluss in einem AUS-Zustand trennt.
Wiederum optional sind das erste und das zweite Schaltbauelement via die Schaltungsplatine unabhängig steuerbar.
Optional sind das erste und das zweite Schaltbauelement in dem Bauelementgehäuse angeordnet.
Wiederum optional ist das Impedanzanpassungsnetzwerk mit der zweiten Gehäuseleitung verbunden, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk einen festen Impedanzwert aufweist.
Optional umfasst die Schaltungsplatine ein erstes und ein zweites Impedanzanpassungsnetzwerk, wobei das erste Impedanzanpassungsnetzwerk mit der ersten Gehäuseleitung verbunden ist, und wobei das zweite Impedanzanpassungsnetzwerk mit der zweiten Gehäuseleitung verbunden ist.
Wiederum optional werden der dritte Impedanzwert des zweiten LC-Netzwerks und der feste Impedanzwert im Hinblick auf Spitzeneffizienz bei einer ersten Frequenz angepasst, und wobei der vierte Impedanzwert des zweiten LC-Netzwerks und der feste Impedanzwert im Hinblick auf Spitzeneffizienz bei einer zweiten Frequenz angepasst werden.
Optional ist die erste Frequenz 1,8 GHz und wobei die zweite Frequenz 2,2 GHz ist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Verstärkerschaltung ist offenbart. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ein Verwenden eines RF-Verstärkers, um ein RF-Signal zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss über einen Breitbandfrequenzbereich zu verstärken, ein Auswählen eines Impedanzwertes eines ersten LC-Netzwerks, das mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, zwischen einem ersten Impedanzwert und einem zweiten Impedanzwert, und ein Auswählen eines Impedanzwertes eines zweiten LC-Netzwerks, das mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, zwischen einem dritten Impedanzwert und einem vierten Impedanzwert. Das Auswählen des Impedanzwertes des ersten LC-Netzwerks umfasst ein Steuern eines EIN/AUS-Zustands eines ersten Schaltbauelements. Das Auswählen des Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks umfasst ein Steuern eines EIN/AUS-Zustands eines zweiten Schaltbauelements.
Optional umfasst das Auswählen des Impedanzwertes des ersten LC-Netzwerks ein Koppeln der ersten und der zweiten reaktiven Komponente mit dem Eingangsanschluss in dem EIN-Zustand des ersten Schaltbauelements und ein Trennen der zweiten reaktiven Komponente von dem Eingangsanschluss in einem AUS-Zustand des ersten Schaltbauelements, und wobei das Auswählen des Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks ein Koppeln der dritten und der vierten reaktiven Komponente mit dem Ausgangsanschluss in dem EIN-Zustand des zweiten Schaltbauelements und ein Trennen der vierten reaktiven Komponente von dem Ausgangsanschluss in dem AUS-Zustand des zweiten Schaltbauelements umfasst.
Wiederum optional sind jede der ersten, zweiten, dritten und vierten reaktiven Komponente Kondensatoren, wobei das Koppeln der ersten und der zweiten reaktiven Komponente mit dem Eingangsanschluss in dem EIN-Zustand des ersten Schaltbauelements ein Koppeln der ersten und der zweiten reaktiven Komponente parallel zueinander umfasst, und wobei das Koppeln der dritten und der vierten reaktiven Komponente mit dem Ausgangsanschluss in dem EIN-Zustand des zweiten Schaltbauelements ein Koppeln der dritten und der vierten reaktiven Komponente parallel zueinander umfasst.
Optional reicht der Breitbandfrequenzbereich von einem niedrigeren ersten Frequenzwert zu einem höheren zweiten Frequenzwert, wobei das Auswählen des Impedanzwertes des ersten LC-Netzwerks ein Setzen der Impedanz des ersten LC-Netzwerks auf den ersten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker bei dem ersten Frequenzwert betrieben wird, und auf den zweiten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker bei dem zweiten Frequenzwert betrieben wird, umfasst, und wobei das Auswählen des Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks ein Setzen der Impedanz des zweiten LC-Netzwerks auf den dritten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker bei dem ersten Frequenzwert betrieben wird, und auf den vierten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker bei dem zweiten Frequenzwert betrieben wird, umfasst.
Wiederum optional resoniert das erste LC-Netzwerk mit dem ersten Frequenzwert bei dem ersten Impedanzwert und resoniert mit dem zweiten Frequenzwert bei dem zweiten Impedanzwert, und wobei das zweite LC-Netzwerk mit dem ersten Frequenzwert bei dem dritten Impedanzwert resoniert und mit dem zweiten Frequenzwert bei dem vierten Impedanzwert resoniert.
Optional ist der RF-Verstärker mit einer Schaltungsplatine verbunden, umfassend ein Festwert-Impedanzanpassungsnetzwerk, wobei der Ausgangsanschluss mit dem Festwert-Impedanzanpassungsnetzwerk verbunden ist, ferner umfassend: ein Auswählen, via die Schaltungsplatine, eines Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks, der einer Spitzeneffizienzimpedanz zwischen dem zweiten LC-Netzwerk und dem festen LC-Netzwerk bei dem ersten Frequenzwert oder dem zweiten Frequenzwert entspricht.
Fachleute auf dem Gebiet werden nach dem Lesen der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung und dem Betrachten der beiliegenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
Figurenliste
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen, dargestellten Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, außer sie schließen einander aus. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert.

1 stellt eine Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
2 stellt S21-Graphen für ein Verstärkerausgangsanpassungsnetzwerk bei harmonischen Werten zweiter Ordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
3 stellt eine Leistungsreserve (Power Back Off, PBO; PBO = power back off) für einen Verstärker mit einem LC-Netzwerk, das auf eine erste Frequenz abgestimmt und bei der ersten Frequenz betrieben wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
4 , die 4A und 4B umfasst, stellt einen Abstand der Leistung (PBO) für einen Verstärker mit einem LC-Netzwerk, das bei einer zweiten Frequenz betrieben wird, dar. In 4A ist das LC-Netzwerk auf die erste Frequenz abgestimmt. In 4B ist das LC-Netzwerk auf die zweite Frequenz abgestimmt.
5 stellt eine RF-Anordnung, die eine Schaltungsplatine und ein Bauelementgehäuse umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
6 , die 6A und 6B umfasst, stellt einen Effizienzvergleich einer RF-Anordnung dar, die neu konfiguriert wird, um die Impedanz der LC-Netzwerke an einen Festwert bei zwei unterschiedlichen Grundfrequenzen anzupassen.
7 , die 7A und 7B umfasst, stellt einen Effizienzvergleich einer RF-Anordnung dar, die neu konfiguriert wird, um die Impedanz der LC-Netzwerke an einen Festwert bei zwei unterschiedlichen Grundfrequenzen anzupassen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier beschriebene Ausführungsbeispiele umfassen einen RF-Verstärker (z. B. einen auf GaN basierenden Transistor) mit einem Impedanz-einstellbaren ersten und zweiten LC-Netzwerk, die mit dem Eingangs- und dem Ausgangs- (z. B. Gate- und Drain-) Anschluss des RF-Verstärkers gekoppelt sind. Das erste und das zweite LC-Netzwerk sind Impedanz-einstellbar, sofern die von diesen Netzwerken angebotene Impedanz durch Steuerungssignalisierung geändert werden kann. Die Einstellbarkeit wird möglich gemacht durch die Einbringung von Schaltbauelementen in das erste und das zweite erste LC-Netzwerk. Durch Einstellen des Leitungszustands dieser Schaltbauelemente (d. h. des EIN/AUS-Zustands), kann die Anzahl von reaktiven Elemente, die mit dem RF-Verstärker gekoppelt sind, geändert werden. Zum Beispiel kann jedes LC-Netzwerk zwei Kondensatoren parallel zueinander umfassen. Ein EIN-Schalten des Schaltbauelements koppelt beide Kondensatoren mit einem Anschluss des RF-Verstärkers, und ein AUS-Schalten des Schaltbauelements trennt einen der zwei Kondensatoren von dem jeweiligen Anschluss des RF-Verstärkers.
Vorteilhafterweise verbessert die Impedanzeinstellbarkeit des ersten und des zweiten LC-Netzwerks die Adaptierbarkeit und Breitbandantwort des Bauelements verglichen mit im Stand der Technik bekannten Techniken, die Festwert-LC-Netzwerke verwenden. Zum Beispiel können sowohl das erste als auch das zweite erste LC-Netzwerk ausgebildet sein zum Resonieren (d. h. Bereitstellen eines RF-Kurzschlusses) bei zwei unterschiedlichen harmonischen Frequenzen zweiter Ordnung (z. B. 3,6 GHz und 5,4 GHz, wobei 1,8 GHz und 2,7 GHz die Grundfrequenz repräsentieren), ansprechend auf das Steuersignal, das an die Schaltbauelemente angelegt wird. Auf diese Weise kann der RF-Verstärker bei einer der beiden Grundfrequenzen mit hoher Effizienz betrieben werden, wobei die Harmonischen zweiter Ordnung in jedem Fall perfekt herausgefiltert werden. Als ein anderes Beispiel kann die Impedanzeinstellbarkeit des ersten und des zweiten LC-Netzwerks verwendet werden, um eine Leistungsübertragung zwischen einem Bauelementgehäuse und einer Schaltungsplatine bei zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen (z. B. 1,8 GHz und 2,2 GHz) zu maximieren. Auf diese Weise kann ein einzelnes gehäustes Bauelement produziert werden, das mit einer Schaltungsplatine mit einem Festwert-Impedanzanpassungsnetzwerk kompatibel ist und bei maximaler Effizienz für die zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen betrieben werden kann.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Verstärkerschaltung 100 dargestellt. Die Verstärkerschaltung 100 umfasst einen RF-Verstärker 102, der ausgebildet ist zum Verstärken eines RF-Signals zwischen einem Eingangsanschluss 104 und einem Ausgangsanschluss 106. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der RF-Verstärker 102 ein Leistungstransistor, z. B. ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ein DMOS- (doppelt diffundierter Metall-Oxid-Halbleiter-) Transistor, ein GaN-HEMT (Galliumnitrid-Hochelektronenmobilitätstransistor), ein GaN-MESFET (Galliumnitrid-Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ein LDMOS-Transistor etc., sein und allgemeiner jeglicher Typ von RF-Transistorbauelement. Der RF-Verstärker 102 und die komplette Verstärkerschaltung 100 können ein Multiträgerverstärker, ein Multibandverstärker, ein LTE- (Langzeitentwicklungs- (LTE = long term evolution)) konformer Verstärker, ein WCDMA- (Breitbandcodeteilungsmehrfachzugriff- (WCDMA = wideband code division multiple access)) -konformer Verstärker, ein 802.11 (x)-konformer Verstärker etc. sein.
Die Verstärkerschaltung 100 ist ausgebildet, um in einem Breitbandfrequenzbereich betrieben zu werden. Im Gegensatz zu Schmalband bezieht sich Breitband auf die Tatsache, dass der Bereich von Frequenzwerten für das RF-Signal die Kohärenzbandbreite eines Signalkanals überschreitet. Die Verstärkerschaltung 100 stellt innerhalb akzeptabler Toleranzen die gleichen Charakteristika über den Breitbandfrequenzbereich bereit. Der Breitbandfrequenzbereich kann zumindest 10 % einer Mittenfrequenz (z. B. 1,8 GHz bis 2,2 GHz, wobei die Mittenfrequenz 2,0 GHz ist) umspannen und kann 20 % einer Mittenfrequenz oder mehr umspannen. Diese Werte repräsentieren nur ein Beispiel, und der Breitbandfrequenzbereich ist zu anderen Frequenzen skalierbar.
Die Verstärkerschaltung 100 umfasst ferner ein erstes LC-Netzwerk 108, das mit dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 verbunden ist. Das erste LC-Netzwerk 108 umfasst zumindest zwei reaktive Komponenten (d. h. Kondensatoren und Induktivitäten (Spulen)) und ein erstes Schaltbauelement 110, das zwischen die zwei reaktiven Komponenten geschaltet ist. Das erste Schaltbauelement 110 und die reaktiven Komponenten sind durch eine leitfähige Verbindung mit dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 verbunden. Als Ergebnis bietet das erste LC-Netzwerk 108 dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 eine Impedanz an. Ferner ist das erste LC-Netzwerk 108 ausgebildet, derart, dass die dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 angebotene Impedanz geändert werden kann, abhängig von dem Schaltzustand des ersten Schaltbauelements 110.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Schaltbauelement 110, den reaktiven Komponenten und dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 durch eine erste Induktivität 112 bereitgestellt. Die erste Induktivität 112 kann zum Beispiel unter Verwendung eines ersten induktiven Bonddrahtes bereitgestellt werden. Die erste Induktivität 112 bildet eine direkte elektrische Verbindung. Alternativ können andere dazwischenliegende Schaltungselemente (Schalter, Kondensatoren etc.) zwischen den zweien bereitgestellt werden. Ferner kann die leitfähige Verbindung durch andere Verbindungsmittel bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann die leitfähige Verbindung eine Metallisierungsleiterbahn, z. B. eine PCB-Leiterbahn, sein. Die Induktivität der leitfähigen Verbindung kann zugeschnitten sein, um eine gewünschte Induktivität zu erreichen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das erste LC-Netzwerk 108 einen ersten und einen zweiten Kondensator 114, 116. Das erste Schaltbauelement 110 ist mit ersten Anschlüssen (z. B. positiven Anschlüssen) des ersten und des zweiten Kondensators 114, 116 direkt verbunden. Die zweiten Anschlüsse (z. B. negative Anschlüsse) des ersten und des zweiten Kondensators 114, 116 sind mit einem Referenzpotential (z. B. Masse (GND)) verbunden. Wenn das erste Schaltbauelement 110 in dem EIN-Zustand ist, sind der erste und der zweite Kondensator 114, 116 beide mit dem Eingangsanschluss 104 via die erste Induktivität 112 gekoppelt. Ferner sind der erste und der zweite Kondensator 114, 116 in einer parallelen Konfiguration angeordnet, derart, dass die durch den Eingangsanschluss 104 erfahrene Kapazität die Summe der Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators 114, 116 umfasst. Wenn das erste Schaltbauelement 110 in dem AUS-Zustand ist, ist der zweite Kondensator 116 von dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 getrennt. In dieser Konfiguration weist die von dem Eingangsanschluss 104 erfahrene Impedanz die Induktivität der ersten Spule 112 und die Kapazität des ersten Kondensators 114 auf, weist aber nicht die Kapazität des zweiten Kondensators 116 auf.
Das Ausführungsbeispiel von 1 repräsentiert ein Beispiel einer Verstärkerschaltung mit einstellbarer Impedanz. Das oben beschriebene Prinzip einstellbarer Impedanz kann auf jegliche einer Vielzahl von Schaltungskonfigurationen angewandt werden. Zum Beispiel kann das erste LC-Netzwerk 108 optional drei, vier, fünf etc. Kondensatoren umfassen, die in einer parallelen Konfiguration mit Schaltbauelementen angeordnet sind, die zwischen jeden Kondensator geschaltet sind. Auf diese Weise kann das erste LC-Netzwerk 108 einen breiteren Bereich von Impedanzwerten und/oder feinere Granularität zwischen Impedanzwerten aufweisen. Ebenso können die Schaltbauelemente zwischen parallel geschalteten Induktivitäten bereitgestellt sein, derart, dass die von dem Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 erfahrene Induktivität einstellbar ist.
Das erste Schaltbauelement 110 kann jegliche Art von elektrischer Schalter, umfassend ein Transistor, sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltbauelement 110 ein mechanisches Schaltbauelement. Gemäß hiesiger Verwendung beschreibt ein mechanisches Schaltbauelement jegliches Bauelement, das eine Verbindung mit einem elektrischen Leiter physisch komplettiert und die Verbindung durch ein physisches Trennen des elektrischen Leiters entfernt. Zum Vergleich stellt ein Halbleitertransistor eine elektrische Verbindung durch Steuern des leitfähigen Zustands einer dotierten Halbleiterregion bereit. Ein Beispiel eines mechanischen Schaltbauelements ist ein MEMS-Schalter, der ausgebildet ist zum mechanischen Auslenken eines Hebelarms basierend auf einer Eingangsspannung. Andere Beispiele von mechanischen Schaltbauelementen umfassen Sicherungen. Ein Vorteil des Ausbildens des ersten Schaltbauelements 110 als ein mechanisches Schaltbauelement ist, dass der Schaltzustand nicht von der Spannung abhängig ist, die an den Ausgangsanschlüssen des ersten Schaltbauelements 110 präsent ist. Bei der Schaltung von 1 ist diese Charakteristik vorteilhaft, weil die an den positiven Anschlüssen des ersten und des zweiten Kondensators 114, 116 präsente Spannung abhängig von dem Ladezustand dieser Bauelemente variieren kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltbauelement 110 ein einmalprogrammierbarer Schalter (OTP-Schalter (OTP = one-time-programmable)), z. B. eine Sicherung oder Nanoröhre. Bei einigen Anwendungen ist es nur erforderlich, die Impedanz des ersten LC-Netzwerks 108 einmal zu setzen (z. B. während der Bauelementanordnung im Test). In diesem Fall ist ein OTP-Schalter geeignet. Bei anderen Anwendungen wird der RF-Verstärker 102 bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben und die Impedanz des ersten LC-Netzwerks 108 kann entsprechend eingestellt werden. In diesem Fall ist ein Schaltbauelement, das wiederholt geschaltet werden kann, (z. B. ein MEMS-Schalter) erforderlich.
Die Verstärkerschaltung 100 umfasst ein zweites LC-Netzwerk 118, das mit dem Ausgangsanschluss 106 des RF-Verstärkers 102 verbunden ist. Das zweite LC-Netzwerk 118 kann im Wesentlichen ähnlich zu dem oben beschriebenen, ersten LC-Netzwerk 108 ausgebildet sein. Als Ergebnis kann eine Ausgangsimpedanz der Verstärkerschaltung 100 eingestellt werden durch Betreiben eines zweiten Schaltbauelements 120, das zwischen ein Paar von reaktiven Komponenten in dem zweiten LC-Netzwerk 118 geschaltet ist. Zum Beispiel kann das zweite LC-Netzwerk 118 einen dritten und einen vierten Kondensator 122, 124 umfassen, wobei sowohl der dritte als auch der vierte Kondensator 122, 124 mit dem Ausgangsanschluss 106 des RF-Verstärkers 102 in dem EIN-Zustand des zweiten Schaltbauelements 120 gekoppelt sind, und wobei der vierte Kondensator 124 von dem Ausgangsanschluss 106 des RF-Verstärkers 102 in dem AUS-Zustand des zweiten Schaltbauelements 120 getrennt ist. Das zweite LC-Netzwerk 118 umfasst ebenso eine leitfähige Verbindung zwischen dem zweiten Schaltbauelement 120, dem dritten und dem vierten Kondensator 122, 124 und dem Ausgangsanschluss 106 des RF-Verstärkers 102. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird diese leitfähige Verbindung durch eine zweite Induktivität 126 bereitgestellt, die durch einen induktiven Bonddraht bereitgestellt werden kann.
Die spezifischen Parameterwerte des zweiten LC-Netzwerks 118 (d. h. Induktivität und Kapazität der Elemente) können, sind aber nicht zwingend, identisch zu den spezifischen Parameterwerten des ersten LC-Netzwerks 108. Ferner kann die Topologie des zweiten LC-Netzwerks 118, ist aber nicht zwingend, identisch zu der Topologie des ersten LC-Netzwerks 108 sein. Auf eine ähnliche Weise wie oben beschrieben kann das zweite LC-Netzwerk 118 jegliche Anzahl von Kondensatoren und/oder Induktivitäten mit Schaltbauelementen umfassen, die zwischen jedem Element positioniert sind.
Bezugnehmend auf 2 sind zwei S21-Graphen für ein Verstärkerausgangsanpassungsnetzwerk gezeigt, das bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben wird. Ein erster Graph 128 repräsentiert eine S21 eine nominale Frequenzantwort zweiter Ordnung des S21 für ein Verstärkerausgangsanpassungsnetzwerk, das bei einer niedrigeren Frequenz von 1,8 GHz betrieben wird. Ein zweiter Graph 130 repräsentiert eine Frequenzantwort zweiter Ordnung eines S21 für ein Verstärkerausgangsanpassungsnetzwerk, das bei einer zweiten Frequenz von 2,7 GHz betrieben wird. Der Verstärker kann zum Beispiel ein Klasse-F-Verstärker sein. Nominal sollte ein Klasse-F-Verstärker wie ein Kurzschluss zu Harmonischen gerader Ordnung, und speziell zumindest zu der Harmonischen zweiter Ordnung, sein. Ferner sollte nominell ein Klasse-F-Verstärker eine offene Schaltung zu Harmonischen ungerader Ordnung, und speziell zumindest zu der Harmonischen dritter Ordnung, aufweisen. Dies stellt eine Rechteckspannungswellenform und eine halbsinusförmige Stromwellenform bereit.
Der erste S21-Graph 128 erfordert eine sehr niedrige Impedanz von ungefähr -26 dB bei der zweiten Harmonischen (d.h. 3,6 GHz) der ersten niedrigeren Frequenz von 1,8 GHz und eine sehr hohe Impedanz von ungefähr -1 dB bei der dritten Harmonischen (d. h. 5,4 GHz). Der zweite S21-Graph 130 erfordert eine sehr niedrige Impedanz von ungefähr -26 dB bei der zweiten Harmonischen der zweiten höheren Frequenz von 2,7 GHz (d. h. 5,4 GHz). Somit ist es nicht möglich, die notwendige Frequenzantwort für sowohl die erste als auch die zweite Frequenz unter Verwendung eines LC-Netzwerks mit festen Impedanzwerten bereitzustellen. In diesem Fall kann das LC-Netzwerk nur für die niedrigere oder die höhere Frequenz abgestimmt werden.
Bezugnehmend auf 3 ist der Graph der Reserve der Leistungseffizienz (PBO-Graph) für eine Verstärkerschaltung dargestellt, die bei 2,7 GHz betrieben wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Verstärkerschaltung LC-Netzwerke, die abgestimmt sind, um eine Klasse-F-Frequenzantwort bei einer Betriebsfrequenz von 2,7 GHz bereitzustellen. Insbesondere umfasst die Verstärkerschaltung einen RF-Verstärker mit einem ersten LC-Netzwerk, das mit dem Eingangsanschluss des RF-Verstärkers verbunden ist, und einem zweiten LC-Netzwerk, das mit dem Ausgangsanschluss des RF-Verstärkers verbunden ist. Sowohl das erste als auch das zweite LC-Netzwerk 108, 118 weisen eine Kapazität von 1,24 pF (Pikofarad) und eine Induktivität von 0,7 nH (Nanohenry) auf. Diese Parameter produzieren eine LC-Schaltung, die bei zweimal die Betriebsfrequenz von 2,7 GHz (d. h. der Harmonischen zweiter Ordnung) resoniert. Verschiedene PBO-Werte sind von unterschiedlichen Ausgangspunkten und unterschiedlichen Werten für Leistungsreserve aufgetragen. Die oberste Linie 132 repräsentiert die maximal mögliche Effizienz für jede PBO. Wie zu sehen ist, tendiert die Effizienz bei einem größeren PBO abwärts. Jedoch wird eine Effizienz von zumindest 70 % durch eine PBO von -8 dB aufrechterhalten.
Bezugnehmend auf 4 sind zwei Graphen der Reserve der Leistungseffizienz (PBO-Graphen) für eine Verstärkerschaltung gezeigt, die bei 1,8 GHz betrieben wird. 4A stellt die PBO für eine Verstärkerschaltung mit den gleichen Parameterwerten wie oben beschrieben dar (d. h. 1,24 pF und 0,7nH), die in dem ersten und dem zweiten LC-Netzwerk 108, 118 verwendet werden. 4B stellt die PBO für eine Verstärkerschaltung mit Parameterwerten für in dem ersten und dem zweiten LC-Netzwerk 108,118 dar, die abgestimmt sind, um mit der niedrigeren Betriebsfrequenz von 1,8 GHz zu resonieren. Speziell weist die Verstärkerschaltung von 4B eine Kapazität von 2,61 pF und eine Induktivität von 0,7 nH auf.
Wie zu sehen ist, kann eine dramatische Verbesserung in der maximalen PBO realisiert werden durch entsprechendes Zuschneiden der Resonanz des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 108, 118. Während die Effizienz der Schaltung von 4A (d. h. der Schaltung, die mit einer Betriebsfrequenz von 2,7 GHz abgestimmt ist) bei einer PBO von -8 dB unter 60 % fällt, wird die Effizienz der Schaltung von 4B (d. h. der Schaltung, die auf eine Betriebsfrequenz von 1,8 GHz abgestimmt ist) bei einer PBO von -8 dB über 80 % gehalten. Bei dem Beispiel von 4 ist die Harmonische zweiter Ordnung der Betriebsfrequenz durch das erste und das zweite LC-Netzwerk 108, 118 herausgetunt (tune out). Das gleiche Prinzip kann verwendet werden, um Harmonische höherer Ordnung (d. h. dritte, vierte, fünfte etc.) unter Verwendung des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 108, 118 herauszutunen.
4 stellt einen Weg dar, dass die in Bezug auf 1 beschriebene Schaltung verwendet werden kann, um die Effizienz über einen Breitbandfrequenzbereich zu verbessern. Aufgrund der auswählbaren Impedanz des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 108, 118 ist es nicht erforderlich, dass der Schaltungsentwerfer einen festen Impedanzwert auswählt und unter der verminderten Performance (Leistungsfähigkeit) bei einem Frequenzwert leidet, wie durch einen Vergleich von 3 und 4A gezeigt. Stattdessen kann der Benutzer die vorteilhafte hohe Effizienz bei beiden Frequenzwerten erhalten, wie durch einen Vergleich von 3 und 4B gezeigt. Anders ausgedrückt, eine Klasse-F-Frequenzantwort von hoher Effizienz für zwei unterschiedliche Frequenzwerte kann erhalten werden durch geeignetes Auswählen der Parameterwerte für die Kondensatoren und Induktivitäten in dem ersten und dem zweiten LC-Netzwerk 108, 118. Insbesondere können die Parameterwerte gesetzt werden, derart, dass, wenn das Schaltbauelement AUS ist, das erste und das zweite LC-Netzwerk 108, 118 eine Resonanzfrequenz von zweimal die höhere Frequenz aufweisen, und derart, dass, wenn das Schaltbauelement EIN ist, das erste und das zweite LC-Netzwerk 108, 118 eine Resonanzfrequenz von zweimal die niedrigere Frequenz aufweisen.
Bezugnehmend auf 5 ist eine RF-Anordnung 200, die die in Bezug auf 1 beschriebene Verstärkerschaltung 100 umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die RF-Anordnung 200 umfasst eine Schaltungsplatine 202 (z. B. eine PCB), die ausgebildet ist zum Unterstützen von und elektrischen Verbinden mit mehreren elektronischen Komponenten. Ein Bauelementgehäuse 204 ist auf der Schaltungsplatine 202 befestigt. Das Bauelementgehäuse 204 umfasst den RF-Verstärker 102 und zumindest einen Teil des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 116, 118, die in Bezug auf 1 beschrieben sind. Das Bauelementgehäuse 204 umfasst eine erste Gehäuseleitung (package lead) 203, die den Eingangsanschluss 104 des RF-Verstärkers 102 mit der Schaltungsplatine 202 verbindet, und eine zweite Gehäuseleitung 205, die den Ausgangsanschluss 106 des RF-Verstärkers 102 mit der Schaltungsplatine 202 verbindet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Bauelementgehäuse 204 einen Metallflansch, der RF-Verstärker 102 ist ein Transistorchip (Transistor-Die), der auf dem Flansch befestigt ist, und das erste und das zweite LC-Netzwerk 108, 118 sind durch eine Mehrzahl von Chipkondensatoren und induktiven Bonddrähten, die auf dem Flansch befestigt sind, bereitgestellt. Der Flansch umfasst zwei Leitungen auf Gehäuseebene, die den Eingangsanschluss 104 und den Ausgangsanschluss 106 des RF-Verstärkers 102 jeweils mit der Schaltungsplatine 202 verbinden. Eine allgemeine Beschreibung einer solchen Struktur ist in US-Anmeldung 12/817,869 an Blair beschrieben, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Alternativ kann das Bauelementgehäuse 204 ein auf einer PCB basierendes Gehäuse sein, in dem die Gehäuseleitungen aus einer PCB gebildet sind. Reaktive Komponenten, z. B. der erste, zweite, dritte und vierte Kondensator 122, 124, die hierin beschrieben sind, können innerhalb der PCB eingebettet sein. Eine allgemeine Beschreibung einer solchen Struktur ist in US-Anmeldung 14/811,325 an Mu beschrieben, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Das erste und das zweite Schaltbauelement 110, 120 können in das Bauelementgehäuse 204, z. B. als diskrete Chipkomponenten, eingebracht werden und mit dem Bauelementgehäuse 204 unter Verwendung einer Zwischenverbindung auf Gehäuseebene (z. B. Bonddrähten, Metallleiterbahn etc.) verbunden werden. Das heißt, die komplette Schaltung, wie in 1 dargestellt, kann in das Bauelementgehäuse 204 eingebracht werden. Alternativ können das erste und das zweite Schaltbauelement 110, 120 auf der Schaltungsplatine 202 extern bereitgestellt sein und können mit den reaktiven Komponenten durch I/O-Verbindungen verbunden werden.
Der EIN/AUS-Zustand des ersten und des zweiten Schaltbauelements 110, 120 kann via die Schaltungsplatine 202 unabhängig gesteuert werden. Somit ist die Impedanz des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 108, 118 einstellbar durch eine geeignete Steuerungssignalisierung, die von der Schaltungsplatine 202 angewandt und/oder durch dieselbe erzeugt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel von 5 umfasst das Bauelementgehäuse 204 eine dritte und eine vierte Leitung 206, 208, die mit den Eingängen des ersten und des zweiten Schaltbauelements 110, 120 unabhängig verbunden sind. Die Eingänge des ersten und des zweiten Schaltbauelements 110, 120 sind jeweils mit der ersten und der zweiten Gehäuseleitung 203, 205 verbunden, und der EIN/AUS-Zustand des ersten und des zweiten Schaltbauelements 110, 120 wird durch eine DC-Vorspannung gesteuert werden, die mit dem RF-Signal überlagert an der ersten und der zweiten Gehäuseleitung 203, 205 angelegt wird. Die Steuerungssignalisierung wird durch ein Bauelement 210 bereitgestellt, das auf der Schaltungsplatine 202 befestigt und mit derselben elektrisch verbunden ist. Alternativ können das erste und das zweite Schaltbauelement 110, 120 extern gesteuert werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Steuerungsbauelement, das ausgebildet ist zum Steuern des ersten und des zweiten Schaltbauelements 110, 120, in das Bauelementgehäuse 204 eingebracht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltungsplatine 202 Impedanzanpassungsnetzwerke, die ausgebildet sind zum Anpassen der Impedanz, die an der ersten und der zweiten Gehäuseleitung 203, 205 erfahren wird, an einen vorbestimmten Wert, z. B. 50 Ohm. Insbesondere kann die Schaltungsplatine 202 ein erstes Impedanzanpassungsnetzwerk 212, das mit der ersten Gehäuseleitung 203 verbunden ist, und ein zweites Impedanzanpassungsnetzwerk 214, das mit der zweiten Gehäuseleitung 205 verbunden ist, umfassen.
Bezugnehmend auf 6 ist ein Effizienzvergleich der RF-Anordnung 200 dargestellt, wobei das erste und das zweite LC-Netzwerk 108, 118 als Impedanzanpassungsnetzwerke verwendet werden. Wie die Fachleute erkennen, hängen Leistungsübertragung und -effizienz von der Impedanzanpassung zwischen der Source-Impedanz und der Lastimpedanz ab.
Typischerweise werden Ports (Anschlüsse) auf einen Standardwert (z. B. 50 Ohm) angepasst, um sicherzustellen, dass jeder Übertragungspfad in Balance ist und Leistung nicht verschwendet wird. Im Kontext von RF-Signalen ist es auch erforderlich, dass die reaktive Komponente von Leistung in Balance ist. Dies erfolgt typischerweise durch Bereitstellen von LC-Netzwerken an dem Eingangs- und dem Ausgangs-Port eines jeden Bauelements in dem System. Die maximale Leistungsübertragung ist jedoch nur bei einer Einzelfrequenz erreichbar. Wenn die Schaltung weiter entfernt von dieser Frequenz betrieben wird, fallen die Effizienz und Leistungsübertragung der Schaltung. Dieses Prinzip ist in 6A und 6B beschrieben.
6A zeigt die Effizienz der RF-Anordnung 200, wobei der RF-Verstärker 102 bei 1,8 GHz betrieben wird. Bei diesem Beispiel umfasst die RF-Anordnung 200 das erste Impedanzanpassungsnetzwerk 212, das mit dem ersten LC-Netzwerk 108 via die erste Gehäuseleitung 203 verbunden ist, und das zweite Impedanzanpassungsnetzwerk 214, das mit dem zweiten LC-Netzwerk 118 via die zweite Gehäuseleitung 205 verbunden ist. Das erste und das zweite Impedanzanpassungsnetzwerk 212, 214 und die erste und die zweite LC-Schaltung 110, 118 sind bei 1,8 GHz perfekt in Balance. Bei dem Arbeitspunkt von 1,8 GHz ist das System ungefähr 70 % effizient bei einem Leistungsniveau von 50 dBM.
6B zeigt die gleiche Schaltung, die bei 2,2 GHz betrieben wird. Bei diesem Beispiel bleiben die Impedanzwerte des ersten und des zweiten Impedanzanpassungsnetzwerks 212, 214 und der ersten und der zweiten LC-Schaltung 110, 118 gleich. Wie zu sehen ist, ist das System bei dem Arbeitspunkt von 2,2 GHz ungefähr 57% effizient bei einem Leistungsniveau von 50 dBM. Somit ist ein wesentlicher Betrag an Effizienz aufgrund der dem Bauelement angebotenen, nichtoptimalen Lastimpedanz verloren.
Bezugnehmend auf 7 ist ein Effizienzvergleich der RF-Anordnung 200 dargestellt. Im Unterschied zu dem Beispiel von 5 wurden in diesem Fall die Impedanzwerte der ersten und der zweiten LC-Schaltung 110, 118 unter Verwendung der hierin beschriebenen Schaltungen und Techniken eingestellt. Das heißt, das erste und das zweite Schaltbauelement 110, 120 wurden betrieben, um die Impedanz der ersten und der zweiten LC-Schaltung 110, 118 auf unterschiedliche Werte einzustellen. Auf diese Weise wird die Verstärkerschaltung 100 verwendet, um eine optimale Leistungsübertragung bereitzustellen, um volle Nutzung eines verfügbaren Strom- und Spannungshubs bei beiden Betriebsfrequenzen zu ermöglichen. Insbesondere zeigt 7A die Effizienz der RF-Anordnung 200, wobei der RF-Verstärker 102 bei 1,8 GHz betrieben wird unter den gleichen Bedingungen, wie in Bezug auf 6A beschrieben. 7A zeigt die Effizienz der RF-Anordnung 200, wobei die Impedanzwerte des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 108, 118 auf einen Wert eingestellt sind, der einer maximalen Leistungsübertragung bei der zweiten Frequenz (d. h. 2,2 GHz) entspricht. In diesem Fall weist das System die gleiche Effizienz von ungefähr 70 % effizient bei einem Leistungsniveau von 50 dBm für beide Arbeitspunkte auf.
Wie zu sehen ist, können durch Verwenden der hierin beschriebenen Schaltungen und Verfahren die Impedanzwerte des ersten und des zweiten LC-Netzwerks 108, 118 eingestellt werden, um die Leistungsübertragung zwischen der Schaltungsplatine 202 und dem Bauelementgehäuse 204 zu maximieren. Konventionell wird eine maximale Leistungsübertragung nur bei einer Frequenz erreicht, da die Impedanzwerte für die passenden Netzwerke der Schaltungsplatine und der gehäusten Verstärkerschaltung fest sind. Die offenbarten Schaltungen und Techniken überwinden dieses Problem, indem sie die Impedanzwerte der Verstärkerschaltung 100 einstellbar machen. Als Ergebnis können eine einzelne Schaltungsplatine 202 und ein einzelnes Bauelementgehäuse 204 (das den RF-Verstärker 102 umfasst) verwendet werden, um Verstärker bereitzustellen, die bei unterschiedlichen Frequenzen in einem Breitbandfrequenzbereich arbeiten, ohne die Leistungseffizienz der Schaltung über den Breitbandfrequenzbereich zu gefährden.
Ausdrücke, wie z. B. „gleich“, „angepasst“ und „anpassen“, wie sie hierin verwendet werden, sollen identisch, annähernd identisch oder ungefähr bedeuten, sodass ein angemessener Betrag einer Abweichung berücksichtigt wird, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Der Ausdruck „konstant“ bedeutet sich nicht verändernd oder nicht variierend oder sich wiederum leicht verändernd oder leicht variierend, sodass ein angemessener Betrag einer Abweichung berücksichtigt wird, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner werden Ausdrücke wie „erster“, „zweiter“ und ähnliches verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Abschnitte etc. zu beschreiben und diese sollen nicht einschränkend betrachtet werden. Gleiche Ausdrücke beziehen sich in der Beschreibung durchgehend auf gleiche Elemente.
Der Ausdruck „direkt elektrisch verbunden“ oder „elektrisch verbunden“ beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, z. B. eine Drahtverbindung zwischen den betreffenden Elementen. Im Gegensatz dazu bedeutet der Ausdruck „elektrisch gekoppelt“, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente ausgebildet sind, um das elektrische Signal auf eine erkennbare Weise zu beeinflussen, das zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen bereitgestellt werden soll. Diese dazwischenliegenden Elemente umfassen aktive Elemente, z. B. Transistoren, sowie passive Elemente, z. B. Induktivitäten (Spulen), Kondensatoren, Dioden, Widerstände, etc.
Räumlich bezogene Ausdrücke wie z. B. „unter“, „darunter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliches werden verwendet, um die Beschreibung zu vereinfachen, um die Positionierung von einem Element relativ zu einem zweiten Element zu erklären. Diese Begriffe sollen unterschiedliche Orientierungen des Bauelements zusätzlich zu unterschiedlichen Orientierungen als den in den Figuren Dargestellten umfassen. Ferner werden Begriffe, z. B. „erste,r,s“, „zweite,r,s“ und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Sektionen etc. zu beschreiben und sollen nicht einschränkend sein. Gleiche Ausdrücke beziehen sich in der Beschreibung durchgehend auf gleiche Elemente.
Gemäß der hiesigen Verwendung sind die Begriffe „aufweisen“, „aufweisend“, „umfasst“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein genannter Elemente oder Merkmale anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein, eine“ und „der, die, das“ sollen den Plural sowie den Singular umfassen, sofern aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
Im Hinblick auf die oben angegebene Bandbreite an Variationen und Anwendungen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorangehende Beschreibung noch durch die beiliegenden Zeichnungen eingeschränkt ist. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Entsprechungen eingeschränkt.

Claims

Eine RF-Anordnung, umfassend: eine Schaltungsplatine, umfassend ein Impedanzanpassungsnetzwerk; ein Bauelementgehäuse, das auf der Schaltungsplatine befestigt ist, und umfassend: einen RF-Verstärker (102), der ausgebildet ist zum Verstärken eines RF-Signals zwischen einem Eingangsanschluss (104) und einem Ausgangsanschluss (106) des RF-Verstärkers (102) über einen Breitbandfrequenzbereich; ein erstes LC-Netzwerk (108), das mit dem Eingangsanschluss (104) verbunden ist und eine erste und eine zweite reaktive Komponente umfasst; ein zweites LC-Netzwerk (118), das mit dem Ausgangsanschluss (106) verbunden ist und eine dritte und eine vierte reaktive Komponente umfasst; eine erste Gehäuseleitung, die den Eingangsanschluss (104) mit der Schaltungsplatine verbindet; eine zweite Gehäuseleitung, die den Ausgangsanschluss (106) mit der Schaltungsplatine verbindet; ein erstes Schaltbauelement (110), das ausgebildet ist zum Auswählen einer Impedanz des ersten LC-Netzwerks (108) zwischen einem ersten Impedanzwert und einem zweiten Impedanzwert; wobei das erste Schaltbauelement (110) durch eine DC-Vorspannung gesteuert wird, die mit dem RF-Signal überlagert angelegt wird; und ein zweites Schaltbauelement (120), das ausgebildet ist zum Auswählen einer Impedanz des zweiten LC-Netzwerks (118) zwischen einem dritten Impedanzwert und einem vierten Impedanzwert; wobei das zweite Schaltbauelement (120) durch eine DC-Vorspannung gesteuert wird, die mit dem RF-Signal überlagert angelegt wird; wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk mit der ersten Gehäuseleitung oder der zweiten Gehäuseleitung verbunden ist.
Die RF-Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Schaltbauelement (110) sowohl die erste als auch die zweite reaktive Komponente mit dem Eingangsanschluss (104) in einem EIN-Zustand koppelt, wobei das erste Schaltbauelement (110) die zweite reaktive Komponente von dem Eingangsanschluss (104) in einem AUS-Zustand trennt, wobei das zweite Schaltbauelement (120) sowohl die dritte als auch die vierte reaktive Komponente mit dem Ausgangsanschluss (106) in einem EIN-Zustand koppelt, und wobei das zweite Schaltbauelement (120) die zweite reaktive Komponente von dem Eingangsanschluss (104) in einem AUS-Zustand trennt.
Die RF-Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und das zweite Schaltbauelement (110, 120) via die Schaltungsplatine unabhängig steuerbar sind.
Die RF-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste und das zweite Schaltbauelement (110, 120) in dem Bauelementgehäuse angeordnet sind.
Die RF-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk mit der zweiten Gehäuseleitung verbunden ist, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk einen festen Impedanzwert aufweist.
Die RF-Anordnung gemäß Anspruch 5, wobei die Schaltungsplatine ein erstes und ein zweites Impedanzanpassungsnetzwerk umfasst, wobei das erste Impedanzanpassungsnetzwerk mit der ersten Gehäuseleitung verbunden ist, und wobei das zweite Impedanzanpassungsnetzwerk mit der zweiten Gehäuseleitung verbunden ist.
Die RF-Anordnung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei der dritte Impedanzwert des zweiten LC-Netzwerks (118) und der feste Impedanzwert im Hinblick auf Spitzeneffizienz bei einer ersten Frequenz angepasst werden, und wobei der vierte Impedanzwert des zweiten LC-Netzwerks (118) und der feste Impedanzwert im Hinblick auf Spitzeneffizienz bei einer zweiten Frequenz angepasst werden.
Die RF-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die erste Frequenz 1,8 GHz ist und wobei die zweite Frequenz 2,2 GHz ist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Verstärkerschaltung (100), umfassend: Verwenden eines RF-Verstärkers (102), um ein RF-Signal zwischen einem Eingangsanschluss (104) und einem Ausgangsanschluss (106) über einen Breitbandfrequenzbereich zu verstärken; Auswählen eines Impedanzwertes eines ersten LC-Netzwerks (108), das mit dem Eingangsanschluss (104) gekoppelt ist, zwischen einem ersten Impedanzwert und einem zweiten Impedanzwert; und Auswählen eines Impedanzwertes eines zweiten LC-Netzwerks (118), das mit dem Ausgangsanschluss (106) gekoppelt ist, zwischen einem dritten Impedanzwert und einem vierten Impedanzwert, wobei das Auswählen des Impedanzwertes des ersten LC-Netzwerks (108) ein Steuern eines EIN/AUS-Zustands eines ersten Schaltbauelements (110) mittels einer DC-Vorspannung, die mit dem RF-Signal überlagert angelegt wird, umfasst, und wobei das Auswählen des Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks (118) ein Steuern eines EIN/AUS-Zustands eines zweiten Schaltbauelements (120) mittels einer DC-Vorspannung, die mit dem RF-Signal überlagert angelegt wird, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Auswählen des Impedanzwertes des ersten LC-Netzwerks (108) ein Koppeln einer ersten und einer zweiten reaktiven Komponente mit dem Eingangsanschluss (104) in dem EIN-Zustand des ersten Schaltbauelements (110) und ein Trennen der zweiten reaktiven Komponente von dem Eingangsanschluss (104) in dem AUS-Zustand des ersten Schaltbauelements (110) umfasst, und wobei das Auswählen des Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks (118) ein Koppeln der dritten und der vierten reaktiven Komponente mit dem Ausgangsanschluss (106) in dem EIN-Zustand des zweiten Schaltbauelements (120) und ein Trennen der vierten reaktiven Komponente von dem Ausgangsanschluss (106) in dem AUS-Zustand des zweiten Schaltbauelements (120) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei jede der ersten, zweiten, dritten und vierten reaktiven Komponente Kondensatoren sind, wobei das Koppeln der ersten und der zweiten reaktiven Komponente mit dem Eingangsanschluss (104) in dem EIN-Zustand des ersten Schaltbauelements (110) ein Koppeln der ersten und der zweiten reaktiven Komponente parallel zueinander umfasst, und wobei das Koppeln der dritten und der vierten reaktiven Komponente mit dem Ausgangsanschluss (106) in dem EIN-Zustand des zweiten Schaltbauelements (120) ein Koppeln der dritten und der vierten reaktiven Komponente parallel zueinander umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Breitbandfrequenzbereich von einem niedrigeren ersten Frequenzwert zu einem höheren zweiten Frequenzwert reicht, wobei das Auswählen des Impedanzwertes des ersten LC-Netzwerks (108) ein Setzen der Impedanz des ersten LC-Netzwerks (108) auf den ersten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker (102) bei dem ersten Frequenzwert betrieben wird, und auf den zweiten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker (102) bei dem zweiten Frequenzwert betrieben wird, umfasst, und wobei das Auswählen des Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks (118) ein Setzen der Impedanz des zweiten LC-Netzwerks (118) auf den dritten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker (102) bei dem ersten Frequenzwert betrieben wird, und auf den vierten Impedanzwert, wenn der RF-Verstärker (102) bei dem zweiten Frequenzwert betrieben wird, umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das erste LC-Netzwerk (108) mit dem ersten Frequenzwert bei dem ersten Impedanzwert resoniert und mit dem zweiten Frequenzwert bei dem zweiten Impedanzwert resoniert, und wobei das zweite LC-Netzwerk (118) mit dem ersten Frequenzwert bei dem dritten Impedanzwert resoniert und mit dem zweiten Frequenzwert bei dem vierten Impedanzwert resoniert.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der RF-Verstärker (102) mit einer Schaltungsplatine verbunden ist, umfassend ein Festwert-Impedanzanpassungsnetzwerk, wobei der Ausgangsanschluss (106) mit dem Festwert-Impedanzanpassungsnetzwerk verbunden ist, ferner umfassend: Auswählen, via die Schaltungsplatine, eines Impedanzwertes des zweiten LC-Netzwerks (118), der einer Spitzeneffizienzimpedanz zwischen dem zweiten LC-Netzwerk (118) und dem festen LC-Netzwerk bei dem ersten Frequenzwert oder dem zweiten Frequenzwert entspricht.